capitulo iv: investigaciÓn experimental 4.1 …€¦ · ... de laursen (1958), colby (1964),...

CAPITULO IV: INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL

4.1 INTRODUCCIÓN El presente capítulo corresponde a la descripción del proceso experimental que se ha seguido en el laboratorio para encontrar las formulaciones matemáticas semiempíricas que describan el arrastre de fondo de sedimentos y la influencia que tiene el acorazamiento, de acuerdo al objetivo de la presente tesis. Se empieza primero haciendo una descripción de las instalaciones y el equipamiento del laboratorio usado para realizar los experimentos, luego detallaremos las características del cauce de experimentación construido para alcanzar los objetivos: geometría, ubicación dentro del conjunto de las instalaciones, acondicionamiento del cauce para los experimentos, y las condiciones de ensayos para luego detallar la metodología así como las técnicas usadas. Por último se detalla la programación de los experimentos a realizarse. 4.2 EL POR QUE DE LA INVESTIGACIÓN La investigación está destinada a estudiar la influencia de un proceso denominado acorazamiento del cauce en las fórmulas y métodos actuales, para calcular el arrastre de fondo de sedimentos en cauces de fuerte pendiente y granulometría extendida. Para tales casos, las metodologías existentes han sido desarrolladas obteniendo información de fuentes experimentales y estadísticas. En el primer caso, se trata de ensayos en el laboratorio cuyo traslado a prototipo se basa en el análisis adimensional, sin considerar posibles efectos de escala; en el segundo caso, se basa en el carácter aleatorio de la turbulencia en el flujo del agua, por lo que siempre existirá la posibilidad de que cualquier grano sea arrastrado por el flujo. En cuanto a la filosofía de los métodos de cálculo, por un lado existen aquellos que no toman en cuenta el acorazamiento y obtienen el arrastre considerando un diámetro representativo o aquellos que utilizan un material granulométrico uniforme. Por otro lado, están los métodos que sí consideran el acorazamiento, pero sólo predicen las curvas granulométricas de la coraza y del material arrastrado, en condiciones de equilibrio, sin la posibilidad de determinar directamente el arrastre producido ni su evolución en el tiempo. La dificultad en el cálculo del arrastre de sedimentos se debe a la intervención de varios fenómenos combinados, como la aleatoriedad de la turbulencia, el hidrograma de avenidas, la variación de los tirantes y las velocidades en la sección transversal y en el perfil longitudinal. En tal sentido, una investigación que abarque las limitaciones, considerando la influencia del acorazamiento en el arrastre, en función del diámetro representativo, que a su vez será función del tiempo se espera entregue un modelo de cálculo que asegure su capacidad de ser utilizado para representar la naturaleza no lineal de las relaciones entre las variables consideradas como explicativas del fenómeno de arrastre en ríos, mejorando los resultados obtenidos por modelos de predicción desarrollados a partir de otros enfoques experimentales, matemáticos y estadísticos, lo que impactará de manera muy significativa

2

en la calidad de los diseños de puentes, reservorios con fines de producción de energía hidroeléctrica y fines de riego, con un alto impacto positivo socio-económico a corto, mediano y largo plazo. 4.3 ESTADO DEL ARTE DEL ARRASTRE DE SEDIMENTOS Y DE LA INFLUENCIA DEL ACORAZAMIENTO En cuanto a los distintos enfoques de los métodos de cálculo de arrastre, por un lado existen aquellos que han sido deducidos a partir de experimentos con granulometría uniforme y por lo tanto no pueden tomar en cuenta el acorazamiento; por otro lado, los métodos deducidos utilizando granulometría extendida, pero que calculan el arrastre en función de uno o varios diámetros representativos y constantes en el tiempo, u otros modelos que sólo predicen las curvas granulométricas de la coraza y del material arrastrado, en condiciones de equilibrio. Estos tres tipos de modelos no tienen la posibilidad de determinar directamente el arrastre producido ni su evolución en el tiempo.

4.3.1 Métodos de cálculo del arrastre de fondo sin considerar el acorazamiento

Usando los criterios de velocidad y esfuerzo de corte críticos, existen numerosos enfoques matemáticos y estadísticos, a partir de experimentos o mediciones de campo, para desarrollar modelos de predicción de arrastre. La mayoría de los métodos propuestos han sido realizados con material de granulometría uniforme.

Se presenta una recopilación cronológica efectuada por Maza y García [1996] de los métodos propuestos para calcular el arrastre teniendo granulometrías uniformes:

• Los métodos para cuantificar únicamente el arrastre en la capa de fondo, de DuBoys (1879), Straub (1935), Schoklitsch (1914), Shields (1936), Meyer-Peter y Muller (1948), Einstein (1942), Einstein-Brown (1950), Yalin (1963) y Bogardi (1955);

• Los métodos para cuantificar el transporte de fondo, sin distinguir el arrastre en la

capa de fondo y el transporte en suspensión, de Laursen (1958), Colby (1964), Bishop, Simons y Richardson (1965), Engelund y Hansen (1967), Yang (1973), Ranga-Raju (1981), y Mora, Aguirre y Fuentes (1990); y

• Los métodos que separan el arrastre de la capa de fondo y el sedimento que es

transportado en suspensión, de Einstein (1950), Bagnold (1966), Chang, Simons y Richardson (1967), y Van Rijn (1984).

En cuanto a las condiciones experimentales conviene recalcar que los métodos más utilizados son los de Meyer Peter y Shields. Los métodos de mayor difusión han sido obtenidos en base a ensayos con granulometría uniforme y con materiales muy finos. Además, para los experimentos reportados por los autores mencionados difieren en los valores de caudales, diámetros y pendientes. Conviene hacer notar que los investigadores han empleado diferentes criterios para definir el inicio del arrastre de sedimentos, sin tener en cuenta el concepto de capa de fondo; concepto que de alguna manera uniformizó la cuantificación del arrastre [Einstein, 1950]. Las fórmulas obtenidas con estos modelos están siendo utilizadas, en muchos casos, fuera de los rangos o límites de aplicación que

3

están definidos por el rango de los diámetros de los respectivos experimentos. Esto sucede, por ejemplo con la fórmula de Meyer Peter, que se usa en ríos con materiales de diámetros con dmedio mayores a 300 mm.

4.3.2 Métodos de cálculo del arrastre de fondo con influencia del acorazamiento

Maza y García [1996] mencionan que el primero en publicar una descripción cualitativa del acorazamiento fue Du Buat en 1796; mientras que los primeros ensayos de acorazamiento los realizó Harrison en 1950, concluyendo que la acumulación de partículas inmóviles incrementa la rugosidad efectiva y disminuye la erosión, y que el perfil longitudinal del fondo, al final del proceso, tiende a ser paralelo al del perfil de inicio.

Berezowsky y Jiménez [1992] han presentado una recopilación de los distintos métodos de cálculo del arrastre:

a) El método de Gessler, propuesto en 1967, en el que considera el movimiento incipiente

como un fenómeno aleatorio, mencionando que el esfuerzo cortante en el fondo fluctúa alrededor de un valor medio en el tiempo. Gessler basó su investigación en encontrar la probabilidad de que granos de un tamaño específico se queden inmóviles.

b) Little, 1972, propone un método basado en experimentos usando granulometrías tipo

lognormal, obteniendo valores hasta 29% menores que los calculados por Gessler. c) En 1982 Borah et al. proponen dividir la zona de mezclado en varias capas, aquella que

está en contacto con el flujo se considera como la capa activa. El espesor, porosidad y distribución de tamaños de esa capa pueden variar durante el proceso, pero se supone que la capa es homogénea en un instante dado; estos autores proporcionaron expresiones para calcular el espesor de la capa activa.

d) Masconi y Subhash, en 1986, estudiaron la evolución del proceso y la manera como se

rompe la coraza. e) Karim y Holly de la Universidad de Iowa investigaron la formación de la coraza,

partiendo de una situación inicial de fondo y teniendo registrada el área cubierta por partículas gruesas; al realizar, éstos autores, la prueba determinan la evolución del área que va quedando cubierta por sedimentos gruesos. En 1990, Holly y Rahuel proponen un modelo matemático tomando en cuenta los conceptos de Borah et al.

f) Parker y Sutherland en la Universidad de Minnesota, predicen la composicion

granulométrica de la capa superficial acorazada. g) Parker, que investiga la variación del diámetro representativo en función del gasto

sólido; este investigador además presenta el programa”Acronymus” que permite calcular la granulometría del material acorazado y del material de arrastre.

Efectuando un análisis crítico de estos métodos se mencionan que tienen las siguientes limitaciones:

4

a) No permiten estimar el tiempo en que la coraza se forma; algunos investigadores han trabajado en este punto, pero para distribuciones específicas de los sedimentos [Berezowsky y Jiménez, 1992];

b) Se aplican mientras el esfuerzo cortante crítico máximo no es sobrepasado; c) No explican su independencia con el número de Reynolds de la partícula; d) No consideran las formas del lecho ni los rangos de granulometría de los diámetros d50

y d35 representan el comportamiento de todo el lecho. e) Wörman [1992], menciona que los métodos existentes están desarrollados para

concentraciones bajas y no consideran que los resultados varían de acuerdo al área acorazada.

Los métodos anteriores tampoco logran una buena predicción para los flujos con cantidades significativas de partículas muy gruesas.

Actualmente, existen importantes Centros de Investigación Hidráulica abordando el fenómeno del acorazamiento desde el punto de vista de la determinación de las curvas granulométricas del material de la coraza y del arrastre. Entre ellos, la Universidad de Darmstadt, la Universidad de Oregon, el USDA Forest Service, el Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de México, el Instituto de Hidráulica de la Universidad de Iowa, la Universidad Politécnica de Cataluña y el Instituto de Hidráulica de Delft, entre otros, habiendo obtenido importantes avances en el desarrollo de modelos físicos y métodos matemáticos.

En Chile, el centro de Recursos Hidráulicos de la Universidad de Chile, ha realizado una evaluación general de los métodos de cálculo de transporte de sedimentos, revelando las dificultades para conocer con razonable precisión su valor, indicando la necesidad de repetir varias veces los cálculos, debido a que ningún método en particular puede aceptarse como el único aplicable o el más confiable [Ayala, 1994]. Ayala ha realizado investigaciones del transporte generalizado e incipiente de sedimento graduado en condiciones macrorugosas.

Con respecto al cálculo del gasto sólido medio, las ecuaciones presentadas en la bibliografía son claramente aplicables cuando el material es de características uniformes y permanentes en el tiempo, pero se vuelve altamente complejo cuando el escurrimiento cambia su composición, como sucede en granulometrías gruesas y extendidas, donde se presentan los fenómenos de acorazamiento [Estellé, 1999]. Sin embargo, la dificultad en el cálculo del arrastre de sedimentos se debe a la intervención de varios fenómenos combinados como la aleatoriedad de la turbulencia, el hidrograma de avenidas, la variación de los tirantes y velocidades en la sección transversal y en el perfil longitudinal, y la presencia de granulometría extendida. Tales limitaciones abren las posibilidades de investigar la influencia del acorazamiento en el arrastre de sedimentos, para la aplicación de fórmulas que permitan considerar el tiempo como una variable en el transporte.

5

Dicha investigación se realizará utilizando técnicas experimentales que permitan medir bajo condiciones controladas los parámetros hidráulicos y sedimentológicos característicos. 4.4 INVESTIGACIÓN PROPUESTA: ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL

ARRASTRE DE SEDIMENTOS.

4.4.1 Alcances y Objetivos de la investigación De los antecedentes expuestos es posible que surjan dos líneas principales a investigar: Una de ellas línea es el conocimiento y la modelación del fenómeno mismo de acorazamiento, para el cual se requiere una la caracterización hidrodinámica del flujo a una micro-escala. La segunda línea consiste en encontrar formulaciones matemáticas semiempíricas que describan el acorazamiento en cuanto a su formación, destrucción, influencia en el arrastre de sedimentos o los efectos de un flujo gradualmente variado en un lecho que presenta las condiciones de acorazarse. Evidentemente, ambos enfoques son complementarios para profundizar en el conocimiento del fenómeno de acorazamiento de cauces. La línea del conocimiento y la modelación del fenómeno mismo de acorazamiento involucra la medición de esfuerzos de corte, velocidades friccionales, distribución de velocidades, intensidades de turbulencia, esfuerzos de Reynolds, etc. y requiere la utilización de equipos y software especializados muy costosos [Papanicolaou et al, 1991]. La metodología que se ha utilizado para describir matemáticamente el fenómeno del arrastre se basa en un sistema de análisis de imagen, utilizando una cámara de vídeo para vigilar el movimiento dentro de un área específica; la cinta de vídeo puede ser convertida a imágenes digitales mediante un software comercial apropiado, estrategia que requiere de una inversión económica significativa y los resultados posibles de obtener no permiten alcanzar una descripción microscópica adecuada del fenómeno de acorazamiento, ya que el resultado de este análisis proporciona información cuantitativa sobre la frecuencia del arrastre de los granos de cristal (material artificial usado por los investigadores), la distancia de dislocación, y el modo de su movimiento. Tal información, cuando es utilizada conjuntamente con medidas del velocímetro del láser Doppler de la velocidad fluida, puede aclarar los mecanismos físicos que son responsables del arrastre del sedimento. La línea de las formulaciones matemáticas semiempíricas, es un enfoque de aplicación ingenieril de los estudios sobre acorazamiento, considerando al fenómeno a una macro-escala, lo cual permite comprender el fenómeno con una orientación aplicable en el diseño y operación de obras hidráulicas. El aporte al conocimiento de esta línea en la obtención de un método que se base en mediciones directas del arrastre, analizando simultáneamente la evolución de la coraza y de la curva granulométrica de fondo en el tiempo. Con esta información, se podrán realizar predicciones del arrastre, inclusive en el caso de analizar un hidrograma de avenidas. Con el conocimiento actualmente disponible esto es imposible, porque los métodos se basan en obtener la curva granulométrica arrastrada en equilibrio para cada caudal; sin embargo, en un hidrograma real en la mayoría de casos los caudales no llegan alcanzar su estado de equilibrio en el arrastre. Al conocer el grado de acorazamiento se mejorarán las predicciones de los niveles de agua para los caudales que se presenten en el

6

río. Las fórmulas actuales no toman en cuenta que al acorazarse un río tiende a generar mayores esfuerzos en las riberas. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la influencia del acorazamiento en el proceso de arrastre de sedimentos en ríos de fuerte pendiente y granulometría extendida. Para el cumplimiento de este objetivo, se debe realizar lo siguiente:

• Establecer relaciones entre el caudal sólido y el diámetro representativo de la curva granulométrica de fondo, mediante mediciones experimentales; esto permitirá estimar aquel diámetro que entregue la mejor representatividad en la determinación del arrastre final.

• Introducir el tiempo en que se forma la coraza y la tasa de arrastre variable en el

tiempo.

4.4.2 Hipótesis de trabajo

Conviene señalar que para la fase experimental se han adoptado una serie de supuestos, entre los que se pueden mencionar principalmente los siguientes:

a) La tasa de arrastre es variable en el tiempo Durante el proceso de formación de la coraza, la tasa de arrastre es variable en el tiempo, debido a que el esfuerzo cortante producido por el escurrimiento es mayor que el resistido por partículas pequeñas y menor que el resistido por los granos más grandes, por lo que predomina el arrastre de sedimentos de menor tamaño, provocando así un aumento del diámetro medio del material de fondo y la consiguiente disminución de la tasa de arrastre.

b) El Esfuerzo cortante es constante

El esfuerzo cortante en el fondo es constante, debido a que en todo momento se mantendrá el flujo uniforme, caracterizado porque las pendientes de la línea de energía, del nivel del agua y del fondo son iguales.

c) La Curva granulométrica tiene distribución log normal

La curva granulométrica de los sedimentos de cauces naturales constituidos por gravas y arenas, tienden a seguir una ley del tipo log normal de probabilidades [García y Maza, 1998].

d) El fenómeno del acorazamiento se produce cuando el cauce tiene una

granulometría con desviación estándar geométrica mayor o igual a 2.

Esto ha sido comprobado con la realización de ensayos de laboratorio y recopilación de información de cauces naturales.

e) Traslado de resultados de modelo a prototipo

Es posible efectuar predicciones en prototipo, basándose en resultados obtenidos con el modelo, debido a que se cumplen las leyes de semejanza hidráulica y sedimentológica,

7

esto significa que los procesos de flujo y transporte de sedimentos son semejantes. Desde el punto de vista hidráulico, se tendrá en cuenta la similitud geométrica, cinemática y dinámica. La similitud sedimentológica comprende el análisis del movimiento inicial del fondo y la capacidad de arrastre.

4.4.3 Metodología y plan de trabajo

4.4.3.1 Descripción de la metodología a utilizar La metodología propuesta es teórico–experimental, debido a que se realizarán experiencias en condiciones debidamente controladas, para posteriormente obtener expresiones matemáticas que permitan realizar cuantificaciones del arrastre. La investigación por tanto se desarrollará en los laboratorios de Instituto de Hidráulica, Hidrología e Ingeniería Sanitaria de la Universidad de Piura. Para ella, se construirá un canal de cauce de material granular no uniforme, con rugosidad natural, sobre el que se pasará una serie de caudales en tiempo suficiente de tal manera que se produzca el fenómeno de acorazamiento, así mismo se registrará la evolución de la coraza, esto último se conseguirá extrayendo muestras del material de fondo del canal cada ciertos intervalos de tiempo y para diferentes secciones del canal. El análisis granulométrico de las muestras extraídas permitirá conocer la evolución de la coraza en el tiempo. Con los resultados obtenidos y haciendo uso del análisis dimensional se llegará a establecer una expresión que nos permita determinar el arrastre de sedimentos en lechos acorazados. Se medirá el caudal sólido a la salida del canal y se espera que conforme el lecho se vaya acorazando el gasto sólido disminuya. 4.4.3.2 Condiciones generales de los ensayos en laboratorio No se ha publicado una metodología única para la realización de experimentos de este tipo y de su validación; inclusive, se observa que los investigadores no presentan los procedimientos detallados en la realización de sus ensayos. La lectura de variada bibliografía especializada en el tema, de publicaciones relativas a los métodos de cálculo de arrastre de fondo, de modelos de predicción, ha permitido reunir una serie de consejos prácticos y reglas basados en experiencias prácticas previas y otros de índole teórica, conocimiento que ha sido reunido y utilizado para definir una completa metodología de trabajo que se estima encontrará un procedimiento y validación, para un nivel determinado de confianza, referido a la capacidad de generalización de la formulación matemática que se presentará. La infraestructura que se utilizará consiste en un sistema de recirculación de caudal: bombas, tanque elevado, tuberías, tanque de aquietamiento y sistema de medición de caudal líquido y sólido: vertederos, pozas. El equipo para medición de velocidades será un microcorrentómetro, y el equipamiento para determinar la variación de diámetro será cámaras digitales de video y de fotografía, VHS y computadora.

8

Las características físicas del canal de prueba serán de 1.50 metros de ancho y 16.5m metros de largo; los taludes y fondo se representarán con material natural y el espesor de la capa con material móvil será de 0.20 m. Se debe recalcar que las investigaciones realizadas en diversos países han sido efectuadas en canales con paredes de vidrio, las cuales influyen debido a que tienen distinta rugosidad. Las condiciones generales planteadas para los ensayos son: caudal, línea de energía, pendiente del fondo y altura de agua constantes; líneas de corriente paralelas con una buena distribución de caudal en toda la sección transversal; curva granulométrica con distribución log-normal y conociendo su porosidad; y agua con incorporación de sedimentos. La altura de agua se mantendrá constante mediante mecanismos adecuados, tales como dos compuertas al final del canal. Se medirá valores de parámetros medios del flujo, incluyendo el arrastre de fondo. en el canal existirá 3 secciones de control en el canal, ubicadas a 4, 8 y 12 m aguas abajo del ingreso. Los ensayos se realizarán combinando los valores de caudales, pendientes y curvas granulométricas. Los caudales a utilizarse son de 80, 120, 160, 200 y 250 l/s; las pendientes serán 0.5, 0.9, 1.2 ,1.5 y 2%, y los materiales tendrán distribución log-normal con D50 de 10.21, 16.65 y 24.3mm y desviación estándar geométrica igual a 2. La duración aproximada por cada ensayo es de 10 horas. 4.4.3.3 Descripción de las técnicas de medición propuestas La determinación del arrastre en el tiempo, se hará mediante una poza al final del modelo físico, la que permitirá ir conociendo la altura de sedimento con una mira graduada y relacionarla con el volumen. Esto permitirá no detener el ensayo para conocer la variación del arrastre. Simultáneamente se registrará, filmando y fotografiando la variación de la curva granulométrica en las 3 secciones de control cada 20 a 30 minutos desde el inicio del ensayo, hasta lograr el máximo acorazamiento. Cuando el lecho ya se haya estabilizado, se detendrá el ensayo y se tomarán muestras para elaborar la curva granulométrica del fondo y del volumen arrastrado en la poza final, para tener mayores registros de la situación final del cauce. La detención del ensayo deberá hacerse adecuadamente para no provocar erosiones. Existen diversas técnicas para la toma de muestras de fondo para la elaboración de la curva granulométrica; el método más completo es el muestreo volumétrico: consiste en extraer del cauce un cierto volumen de material subsuperficial. Esto implica retirar primero la capa superficial en un espesor comparable al tamaño de la mayor partícula observada en la superficie. El volumen que se toma a continuación debe ser representativo del material granular del cauce para lo cual se seguirá el criterio de que la mayor partícula extraída no represente más del 0.1% en peso de toda la muestra. También se realizará el muestreo superficial consistente en marcar con pintura o cera el material expuesto en la superficie y luego retirar todo el material marcado y para que la muestra sea representativa, la mayor partícula marcada no debe representar más del 1% del área muestreada. Las muestras serán tamizadas y pesadas para ambas técnicas, pero las curvas obtenidas no son comparables directamente, sino que debe efectuarse un procedimiento de conversión [Martin, J.P.1997].

9

4.4.3.4 Procesamiento de la información y formulación matemática El procesamiento de la información estará destinado a lograr una familia de gráficos que permitan determinar la variación del diámetro representativo del fondo en función del tiempo, otros que evalúen la variación del gasto sólido en función del tiempo y una relación entre el gasto sólido acorazado y el gasto sólido en condiciones normales en función del tiempo y del diámetro representativo. 4.4.4 Determinación de las condiciones de ensayos Las variables que se prevé utilizar en la investigación experimental son diferentes valores: de caudales, de pendientes longitudinales, de alturas de agua y de curvas granulométricas. Estas variables se seleccionarán dentro de unos rangos tales, que permitan la presencia del fenómeno del acorazamiento, para poder observar y medir sus parámetros característicos. Además de tener en cuenta la capacidad instalada del laboratorio a utilizarse. Como primer paso es importante seleccionar el material adecuado para los ensayos 4.4.4.1 Selección de curvas granulométricas Para la selección del material a ensayar, se tomó en cuenta que éste cumpliera con las características adecuadas, vale decir material granular bien graduado (granulometría extendida), con una desviación estándar geométrica σ> 2. De acuerdo a esto se ubicó y determinó las posibles canteras cuyo material granular sirva para los propósitos de la investigación. Ubicación de Canteras En las zonas de Piura, Sullana, Paita, Talara, Sechura y Morropón se ubican la mayoría de las canteras de grava y arena de mayor interés para la investigación. Entre ellas tenemos: Qda. Honda (Piura), Jíbito, La horca, Cerro Poechos, Sojo (Sullana), Qda. Débora (Talara), Becará, Vice (Sechura), Casa Blanca, Colán, La Islilla (Paita), Belén, La Viña (Morropón). A continuación en la figura 4.1. Se muestra la ubicación de las canteras cuyo material se evaluó para la obtención de la granulometría adecuada. Para la caracterización del material de las canteras de la zona se recurrió al banco de datos del laboratorio de ensayo de materiales de la Universidad de Piura. a) Qda. Honda Ubicada en la provincia de Piura, en la localidad de Tambogrande, el material de explotación es grava y arena. La tabla 7.1 muestra las características del material en esta localidad.

10

Fig 4.1 Mapa de las canteras en Piura

Tabla 4.1 Características del material

Parámetro Rango Peso volumétrico suelto Gravedad específica Tamaño máximo (mm) D50 (mm) Desviación estándar

1.55 2.67-2.78

12.70-38.10 8.90-19.86 1.92-1.55

11

Fig. 4.2 Curva granulométrica de Quebrada la Honda

La Horca Ubicada en la provincia de Sullana, en la localidad de Querecotillo, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.2 presenta las características del material y la figura 4.3 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.

Tabla 4.2 Características del material Parámetro Rango

Peso volumétrico suelto Gravedad específica Tamaño máximo (mm) D50 (mm) Desviación estándar

1.65 2.58-2.74

19.10-38.10 14.09-24.19

1.50-1.60

Fig. 4.3 Curva granulométrica de La Horca

ANALISIS GRANULOMETRICO

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.00010.000100.000Mallas y tamices DIN (mm)

Porc

enta

je q

ue p

asa

Grava Fina A. Gruesa Grava mediaGrava gruesa


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.00010.000100.000Mallas y tamices DIN (mm)

Porc

enta

je q

ue p

asa

Grava Fina A. Gruesa Grava mediaGrava gruesa

12

Cerro Poechos Ubicada en la provincia de Sullana, en la localidad de Chilaco, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.3 presenta las características del material y la figura 4.4 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad

Tabla 4.3.- Características del material Parámetro Rango


1.64 2.67

19.10 23.41 1.35

Fig 4.4 Curva granulométrica característica de Cerro Poechos Sojo Ubicada en la provincia de Sullana, en la localidad de Sojo, el material de explotación es grava y arena. Hace muchos años la compañía Energoprojeckt viene operando en la zona. La tabla 4.4 presenta las características del material y la figura 4.5 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.



1.43-1.73 2.58-2.81

4 -63 24.3 2.25

A N A LIS IS G R A N ULO M E T R IC O

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.000

10.000

100.000 M allas y tam ices

P orc e nta je que pa sa

13

Fig 4.5 Curva granulométrica característica de Sojo

Qda. Débora Ubicada en la provincia de Talara, en el distrito de Talara, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.5 presenta las características del material y la figura 4.6 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.



1.36-1.49 2.60-2.64

12.70-38.10 10.64-23.41

1.46-1.65

Fig 4.6 Curva granulométrica característica de Qda. Débora


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.000 10.000100.000 Mallas y tamices

% que pasa


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.00010.000100.000 Mallas y tamices

% que pasa

14

Becará Ubicada en la provincia de Sechura, en el distrito de Vice, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.6 presenta las características del material y la figura 4.7 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.



1.54-1.64 2.65-2.67

25.4-38.10 14.59-17.10

1.60-1.64

Fig 4.7 Curva granulométrica característica de Becará

Vice Ubicada en la provincia de Sechura, en el distrito de Vice, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.7 presenta las características del material y la figura 4.8 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.



1.49-1.71 1.67-1.83

12.70-38.10 14.55-22.02

1.63-1.69


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


% que pasa

15

Fig 7.8 Curva granulométrica característica de Vice

Colán Ubicada en la provincia de Paita, en la localidad de San Lucas de Colán, el material de explotación es grava. La tabla 4.8 presenta las características del material y la figura 4.9 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.


Fig 4.9 Curva granulométrica característica de Colán


1.61-1.67 2.73-2.77

12.70-25.40 14.28-15.07

1.48-1.62


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


% que pasa


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.000

10.000

100.000 Mallas y tamices

% que pasa

16

La Islilla Ubicada en la provincia de Paita, en localidad de la Islilla, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.9 presenta las características del material y la figura 4.10 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.


Fig 4.10 Curva granulométrica característica de La Islilla Belén Ubicada en la provincia de Morropón, en localidad de la Chulucanas, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.10 presenta las características del material y la figura 4.11 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.



1.60 2.56

19.00 9.92 1.60


1.41-1.58 2.60-2.75

19.10-50.80 11.71-21.64

1.80-2.09


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.000 10.000

100.000

Mallas y tamices

% que pasa

17

Fig 4.11 Curva granulométrica característica de Belén La Viña Ubicada en la provincia de Morropón, en localidad de la Chulucanas, el material de explotación es grava y arena. La tabla 4.11 presenta las características del material y la figura 4.12 nos muestra la curva granulométrica característica de esta localidad.


Fig 4.12 Curva granulométrica característica de La Viña


1.65-1.66 2.63-2.66

19.10-38.10 15.07-26.86

1.36-1.40


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.000

10.000

100.000

Mallas y tamices

% que pasa


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1.000 10.000

100.000

Mallas y tamices

% que pasa

18

4.4.4.2 Combinación de parámetros Es importante determinar los rangos de los parámetros que intervendrán en los experimentos, de acuerdo a las limitaciones existentes. Rango de valores:

• D50 del material granular 9 mm- 26 mm (material de canteras de la zona) • Caudal 250 l/s (capacidad máxima de bombeo del laboratorio del IHHS) • Pendiente 3% (desnivel entre entrada y salida del canal de investigación 50 cm)

Es importante considerar la desviación estándar de la granulometría del material mayor a 2. Previamente se determinó que los ensayos serían con tres granulometrías diferentes. Para tal efecto se seleccionó el material de la cantera Sojo cuya granulometría posee un d50=24.3 mm y una desviación estándar igual a 2.25, además de ser una cantera relativamente cercana. Posteriormente a la identificación del material más cercano al adecuado se procederá a la producción del material a ensayar. 4.4.4.3 Obtención de las curvas granulométricas de ensayo Con el gráfico de la curva granulométrica requerida para el ensayo, se fijaron los límites de la curva tal que el tamizado del material a producirse se encuentre dentro de estos límites. Así tenemos que para producir el material: d50=10.21 mm se tamizó el material entre las mallas 19 y 2 mm. d50=16.63 mm se tamizó el material entre las mallas 31.5 y 2mm. d50= 24.3 mm se tamizó el material que queda retenido en la malla de 4 mm

Tabla 4.12 D50 de materiales de ensayo D50

(mm) σ

10.21 16.63 24.30

1.92 1.95 2.25

Las curvas granulométricas siguen además una distribución log-normal. Las figuras 4.13 al 4.15 muestran la curvas granulométricas de los materiales que se van a utilizar en los ensayos, estos materiales cubrirán originalmente el fondo del modelo, que ante la acción del flujo del agua irá acorazándose.

19

Fig 4.13 Curva granulométrica con D50 = 10.21mm

Fig 4.14 Curva granulométrica con D50 = 16.65 mm

Fig 4.15 Curva granulométrica con D50 = 24.3 mm

A N A LISIS G R A N ULO M ET R IC O

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1,0010,00100,00 M allas y tam ices

% que pa sa

A N ALISIS G R AN ULO M E TR IC O

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1,0010,00100,0 M allas y tam ices

% que pa sa


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1,000 10,000100,00 M allas y tam ices

% que pasa

20

4.4.5 Instalación experimental El cauce de experimentación para el estudio de la influencia del acorazamiento en ríos de fuerte pendiente fue construido en las instalaciones del Instituto de Hidráulica, Hidrología e Ingeniería Sanitaria de la Universidad de Piura. Las instalaciones del IHHS de la Universidad de Piura están ubicadas dentro del campus de la Universidad de Piura, a su vez el instituto cuenta con una extensa área designada a modelos hidráulicos e investigaciones experimentales. Es en esta área donde se ha construido el cauce de experimentación el mismo que forma parte de un circuito cerrado compuesto principalmente por un sistema de alimentación, regulación, tanque de aquietamiento de entrada y control de caudal, canal de alimentación, poza de entrada, plataforma del cauce, cauce propiamente, poza de salida y canal de retorno. A continuación se detalla las instalaciones del Instituto de Hidráulica:

a) Sistema de alimentación, regulación

Compuesto por el sistema de alimentación del laboratorio de modelos del Instituto de Hidráulica, Hidrología e Ingeniería Sanitaria de la Universidad de Piura que trabaja con un sistema en circuito cerrado, consta: de un reservorio de suministro subterráneo (cisterna de 140 m3) que se abastece de una red principal, un sistema de bombeo compuesto por: dos motobombas marca KSB Etarnorm, modelo ETA-R-250-330, de 200 l/s y 34 KW de potencia cada una y otra motobomba de la misma marca, modelo ETA-R-150-250, de 100 l/s y 17 KW de potencia; tanque elevado de 48 m3, con una carga de 5.5 m; un sistema de tuberías de asbesto-cemento de 12” de diámetro provenientes del tanque elevado que descargan el agua hacia un tanque de aquietamiento y una válvula compuerta para el regulado previo.

Fig 4.16 Sistema de alimentación al área de modelos del IHHS.

21

b) Tanque de aquietamiento y control de caudal

Este es un tanque de 12.5 m3 de volumen que contiene una pared intermedia que sirve para la disipación de la energía cinética del agua proveniente de la tubería de suministro. El tanque está construido en albañilería revestido con mortero y la pared intermedia sólo de albañilería a manera de malla. La parte superior del tanque se encuentra abierto al aire libre y su altura es de 2.50 m sobre el nivel del suelo del laboratorio. Aguas abajo se ubica un canal de ingreso que posee un vertedero de pared delgada calibrado hasta 500 l/s para la medición del caudal; siguiendo aguas abajo del vertedero aforador, se encuentra el canal de alimentación, el cual se conecta a una poza de entrada que sirve para repartir y uniformizar el flujo al canal de investigación.

c) Plataforma del cauce

Esta plataforma es una placa constituida por un cuerpo principal sobre la que se apoya el cauce de experimentación. El área de esta plataforma es de 74 m2 y está apoyada directamente sobre el suelo del laboratorio, está limitada por muros laterales de ladrillo, rellena con una capa de arena fina y una superficie impermeabilizadora, sobre la cual se apoya directamente el canal.

d) Cauce de experimentación

El caucel fue diseñado para producir escurrimientos con presencia de transporte de sedimentos de fondo tal que se reproduzca el fenómeno de acorazamiento. El cauce es un conducto recto que tiene dimensiones de 16.45 m de longitud, 1.5 m de ancho, de sección trapezoidal con 0.557 de talud, y 0.40 m de altura. que se asemeja a un canal natural. Las dimensiones son manejables de acuerdo a los requerimientos de los ensayos lo que permite a su vez una fácil operatividad. (Ver Figura 4.17).

Fig. 4.17 Sección transversal del cauce de experimentación

El lecho y las paredes del caucel están conformados de material granular seleccionado: el lecho es móvil y plano, con un espesor constante de material no cohesivo (gravas de granulometría extendida) entre 15 y 20 cm, ésta grava seleccionada de acuerdo a los

SECCION TRANSVERSAL

CAPA IMPERMEABILIZADORA

MATERIAL GRANULAR SELECCIONADO

MATERIAL DE RELLENOVARIABLE

CAPA IMPERMEABILIZADORA

22

objetivos planteados se ha colocado sobre una capa de grava que a su vez descansa sobre la capa impermeable que se menciona anteriormente, dada las características del material a ensayar (diferentes granulometrías) éste puede ser removido y reemplazado manualmente; las paredes del canal se han rigidizado con una lechada de cemento para facilitar la operatividad en el cauce

El canal posee un desnivel entre la entrada y la salida de 50 cm lo que le permite cambiar la pendiente cuando así se requiera, cubriendo además un rango bastante amplio con pendientes que varían entre 0 y 5%. Cabe indicar que los ensayos se han programado con pendientes que varían entre 0.5 – 2%, siendo suficiente el desnivel existente para alcanzar los fines perseguidos. La rugosidad de Manning del cauce corresponde a una rugosidad natural de aproximadamente 0.03.

Aguas abajo del cauce de investigación y al inicio de la poza de descarga se ha colocado una compuerta de tornillo que permite variar la pendiente de fondo de acuerdo a las condiciones requeridas.

e) Poza de salida

Compuesto por un tanque de 15.80 m3 de volumen, posee además un espacio de retención de sólidos, donde se espera captar el sedimento arrastrado durante el tiempo que duren los ensayos. El diseño constructivo de esta poza es similar a la del tanque de entrada. Es una obra de albañilería revestida con mortero de cemento apoyada directamente sobre el piso del laboratorio. Aguas abajo de la poza de salida y antes de conectarse al canal de retorno existe una compuerta que permite regular el nivel de agua durante los ensayos.

f) Canal de retorno

Una vez que la poza de salida ha recepcionado el caudal proveniente del canal, entrega el agua nuevamente a un canal denominado de retorno para ser conducida a la cisterna, cerrándose de esta manera el circuito. Las Instalaciones de las zonas de modelos externos del Instituto de Hidráulica de la Universidad de Piura se aprecian en la figura 4.18

4.4.6 Equipo e instrumentos de medición La instalación experimental cuenta con diversos dispositivos e instrumentos que permiten la medición de las variables asociadas al fenómeno en estudio así como el control de las mismas. La instrumentación consta principalmente de:

23

Fig. 4.18 Planta general de la zona de modelos externos IHHS

a) Limnímetros

Para medir los tirantes en el cauce y establecer los niveles de agua en cada ensayo de acuerdo a las condiciones de ensayo seleccionadas como son caudal y pendiente se utilizó limnímetros de punta desmontables de 1 m de largo con precisión de 0.1 mm.

Fig. 4.19 Instalación de limnímetros

24

Los limnímetros fueron instalados a lo largo del cauce de experimentación sobre unos puentes que garantizaban un apoyo seguro, además de permitir el desplazamiento lateral en la sección transversal del cauce. Estos limnímetros fueron ubicados en tres secciones de medición previamente identificadas. Así también se ubicó uno en una zona próxima al vertedero para la medida de la altura de lámina respectiva.

b) Correntómetro

Para la medición de velocidades en diferentes puntos del canal se utilizó un correntómetro con molinete tipo C2 OTT y contador OTT KEMPTEN modelo Z210.

El correntómetro empleado, viene con un número fijo de hélices y son empleadas según las magnitudes de las velocidades a medir; cada una posee una ecuación que relaciona la velocidad con el número de revoluciones por segundo (n).

Fig. 4.20 Correntómetro con molinete tipo C2 OTT y contador OTT KEMPTEN modelo Z210

A continuación detallamos los rangos de aplicación del uso de las hélices del correntómetro.

Hélice N°1-85018

014.00612.0......................85.1 +=< nVn

019.00585.0..........67.685.1 +=<< nVn 049.00540.0.....................67.6 +=> nVn

Hélice N°2-84506

012.01039.0..........29.4 +=< nVn 018.01025.0..........29.4 +=> nVn

25

Hélice N°3-84027

019.0225.0..........070 +=< nVn nVn 2525.0..........70.0 =>

Hélice N°4-83652

022.04610.0..........45.0 +=< nVn 002.05050.0..........45.0 +=> nVn

Hélice N°5-83652

028.00575.0.0..........30.6 +=< nVn

45.00548.0..........30.6 +=> nVn

Hélice N°6-85094

Para todo n 028.00575.0.0........ += nV De acuerdo a la magnitud de las velocidades medidas en el canal para los diferentes caudales y pendientes (1.5 m/s - 0.65 m/s) las revoluciones obtenidas por segundo se encuentran en el rango correspondiente a la hélice N° 5, siendo ésta por tanto la utilizada en las mediciones.

c) Nivel topográfico y mira milimétrica

Para la medición de cotas se utilizó un nivel SOKKIA modelo C31 y mira milimétrica.

Fig. 4.21 Nivel SOKKIA modelo C31

26

Este equipo se utilizó para conformar el lecho de fondo así como para medir la pendiente de la superficie de agua.

Para un mejor el trabajo con el nivel se utiliza un punto de referencia con cota conocida previamente establecido y fijado al terreno en una zona adyacente al cauce.

d) Vertedero

Para medir el caudal se utilizó un vertedero rectangular con contracciones:

Fig. 4.22 Vista aguas abajo del vertedero

VERTEDERO RECTANGULAR CON CONTRACCIONES

Fig. 4.23 Vertedero con contracciones laterales

27

La calibración del vertedero se realizó volumétricamente en un canal de prueba. Esta calibración se llevó a cabo en su momento como parte de otras investigaciones realizadas por el IHHS El vertedero está calibrado para caudales de hasta 339 l/s. Tal como se puede apreciar en la tabla 4.13. Considerando los caudales que se a utilizarán en los ensayos, esto no sería ningún inconveniente.

Tabla 4.13 Relación Altura de lámina vertiente vs. Caudal H

(m) Q

(l 3/s) 0.05 0.08 0.10 0.12 0.15

0.201 0.218 0.234 0.249 0.264 0.279 0.293 0.307 0.320 0.333 0.346 0.359 0.371 0.384 0.396 0.408 0.419

17 31 42 54 74

113 127 141 156 170 184 198 212 226 240 255 269 283 297 311 325 339

Fig 4.23 Curva de descarga del vertedero rectangular

CURVA DE DESCARGA DE VERTEDERO RECTANGULAR

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

H (cm)

Q (l

/s)

28

e) Compuerta de fondo

Esta es una compuerta plana de vástago instalada al final del canal, que permite regular la pendiente de fondo del canal. También permite, durante un ensayo, mantener la pendiente constante del fondo del cauce, gracias a poder bajarla cuando el cauce experimente erosión general. En otras palabras permite poder variar la condición de borde. Tiene un ancho de 2 m que cubre un poco más allá del ancho del cauce, su altura es de 30 cm y puede desplazarse en una altura de 80 cm, tal como se aprecia en la figura 4.24.

ANGULO SOPORTE

MARCO

COMPUERTA

VASTAGO

COMPUERTA DE FONDO

ANGULO SOPORTE

Fig. 4.24 Compuerta de fondo

Fig. 4.25 Compuerta de fondo para mantener constante la pendiente del cauce

29

f) Compuerta de control del nivel de agua

Para controlar los tirantes en el cauce experimental se instaló una compuerta plana al final del tanque de salida de tal manera que su manipulación evite la caída brusca del nivel de agua en la descarga del canal hacia el tanque de salida.

MARCO

VASTAGO

COMPUERTA

VASTAGO

COMPUERTA

ANGULO SOPORTE

ANGULO SOPORTE

Fig. 4.26 Compuerta de control del nivel de agua

Fig. 4.27 Compuerta de control del nivel de agua abajo en la sección de descarga del

canal.

g) Puentes Para una mejor toma de medidas se instalaron tres puentes a largo del cauce de experimentación, en secciones transversales definidas como secciones de control. El tránsito sobre estos puentes permite tomar medidas como velocidades y tirantes en diferentes puntos de la sección transversal sobre la que se ubica el puente,

30

teniéndose así un registro de los parámetros medidos en cada ensayo a lo largo del cauce. Sirven también de acceso de un lado a otro del cauce, estos puentes están apoyados sobre puntos fijos.

h) Tamices y balanza

Para la caracterización del material a usar en el lecho del canal y de las muestras tomadas en los ensayos se usaron un juego de tamices estándar y una balanza de precisión.

Fig. 4.28 Balanza y tamices

La balanza tiene una capacidad de medida de 20 Kg, y precisión de 0.1 Kg y permite pesar la muestras de material granular extraídas del cauce, para la elaboración de las curvas granulométricas respectivas, así como el material de arrastre recogido en la poza de salida.

Los tamices fueron utilizados para la determinación de las curvas granulométricas tanto para el material a usar en el fondo del cauce de fondo en los diferentes ensayos como para las muestras extraídas del cauce y a las cuales se les determinó el d50.

Los tamices utilizados fueron 7 incluyendo el fondo, entre ello tenemos el de 63, 31.5, 16, 8 , 4 y 2 mm.

i) Material fílmico y fotográfico

Como parte importante del trabajo de investigación se consideró la reproducción de imágenes de video y fotográficas de los ensayos realizados, así como de la infraestructura, material y equipo utilizado.

31

4.4.7 Procesos previos a la experimentación Antes de iniciar la experimentación propiamente fue necesario el acondicionamiento del fondo del cauce así como la definición de la metodología de operación, de este modo se garantiza resultados confiables. 4.4.7.1 Acondicionamiento del cauce de experimentación Describimos en esta sección la etapa de preparación del cauce de investigación para la realización de los ensayos: En miras a controlar las condiciones de ensayo y detallar el proceso de acorazamiento, se acondicionó el cauce de investigación de manera de asegurar la buena calidad de los ensayos.

Fig. 4.29 Cauce de experimentación

Según lo anterior se dispuso:

• La rigidización de los taludes, a fin de mantener la geometría y la operatividad en el canal.

• Capa de lecho plana de material granular seleccionado, colocado en una capa de

espesor mínimo de 10 cm y máximo de 20 cm, de manera que garantice el normal proceso de acorazamiento y que además sea de fácil remoción y colocación.

32

• Elección de tres secciones a lo largo del cauce que permitan la toma de medidas de los diferentes parámetros. Estas secciones se ubicaron la primera 4 m del inicio del cauce, la segunda a 4 m de la primera y la tercera a 4m de la salida del cauce. Estas se designaron como Sección 1, sección 2, sección3.

INICIO DEL CANAL

COMPUERTA DE FONDO

11

22

3 3

PLANTASECCIONES DE MEDICIÓN

Fig 4.30 Ubicación de las secciones de medición

Para la selección de las secciones de medición se tuvo en cuenta que dichas secciones deberían ser secciones representativas del estado general del cauce sin mayores deformaciones, por lo que se explica su ubicación alejada de los bordes y además que cubra todo la longitud del cauce.

• Instalación de puentes en las secciones previamente seleccionadas que permiten

realizar adecuadamente las mediciones. Estos puentes servirían no sólo para la colocación de cualquier instrumento sino también para el acceso a uno u otro lado del canal.

• Pintado de franjas con diferentes colores a lo largo del canal que permita la

evaluación del proceso de acorazamiento y la visualización del proceso de

33

transporte de sedimentos. Así se realizó el pintado al inicio del canal, en cada una de las secciones seleccionadas y al final del canal.

Fig. 4.31 Franja pintada en el cauce de experimentación

• La instalación de compuertas que permitan el control de los niveles de agua y niveles de fondo del canal. En efecto se colocó una compuerta de fondo al final del canal cuya manipulación permitía controlar la pendiente de fondo del canal y garantizar la misma pendiente energética durante todo el ensayo con el consiguiente valor constante del esfuerzo cortante. En apartado anterior, se puede apreciar dicha compuerta. Otra compuerta se instaló aguas abajo de la poza de salida al inicio del canal de retorno, esta compuerta permite establecer el nivel de la superficie de agua de acuerdo al caudal y las condiciones geométricas del canal. Ver apartado anterior.

• Poza receptora de sedimentos producto del arrastre del material granular.

4.4.7.2 Metodología utilizada Para medir los diferentes parámetros que nos permitan identificar el comportamiento hidráulico del canal bajo diferentes condiciones hidráulicas se optaron por algunas metodologías que aseguran la calidad de los resultados.

a) Medición de velocidades

Para la medición de velocidades en la sección hidrométrica se conformó una malla de medición de velocidades: tres verticales, en el centro, derecha e izquierda con dos puntos de medición (0.2 h y 0.60 h; donde h representa el tirante de agua) por vertical.

Se colocó la hélice del correntómetro en las intersecciones I-1, I-2, II-1, II-2, III-1, III-3 indicadas en la figura 7.32. Se registraron las revoluciones de ésta y se procedió a calcular la velocidad media en la vertical o puntual cerca al fondo haciendo uso de la ecuación del correntómetro descrita anteriormente.

34

Fig 4.32 Ubicación puntos de medición

b) Medición de niveles de agua

Para establecer los niveles de agua correspondientes a las condiciones hidráulicas definidas se instaló un limnímetro en la parte central de cada sección, conociendo la lectura en el limnímetro correspondiente al fondo del canal y la medida de la profundidad de agua previamente calculada, considerando flujo uniforme se determina la posición de la punta del limnímetro y por tanto el nivel que debe alcanzar el agua para las condiciones establecidas.

Los limnímetros como se mencionó anteriormente se apoyan en los puentes, con la medida determinada; tal que permita por observación visual del contacto de la superficie de agua con el puntero del limnímetro establecer el nivel de agua.

c) Extracción de muestras

Para el análisis de la evolución de la granulometría de la coraza se usará el muestreo superficial que consiste en pintar con un aspersor el material expuesto en la superficie, para luego retirar sólo el material pintado, mas no el no pintado.

Para que la muestra sea representativa, la mayor partícula marcada no debe representar más de 1% del área muestreada, lo que puede concluirse que el área muestreada sea 100 D2máx. El ancho de la franja pintada será de 50cm y abarcará todo el ancho del fondo del cauce.

Para lograr lo anterior se cortará el flujo de agua después de unos intervalos de tiempo determinados, cuidando de no crear una caída o descenso brusco del nivel de la superficie de agua y se procederá a retirar el material pintado manualmente para su respectiva caracterización.

Las muestras se extraerán de las tres secciones seleccionadas anteriormente por lo que el procedimiento descrito arriba se repite en cada sección.

0.2h

0.6h h

I II III

1

2

b

35

d) Elaboración de curvas granulométricas

La granulometría o distribución del agregado según su tamaño se determinará con un análisis granulométrico por tamizado.

El proceso de análisis es el especificado por la norma ASTM C136. (NTP 400.12) y consiste en hacer pasar la muestra del material a través de un juego de tamices convenientemente escogidos y pesar el material retenido en cada malla. Los límites se especifican usualmente para el porcentaje de material que pasa por cada tamiz.

Para ello se usarán tamices estándar previamente seleccionados de acuerdo a las características de las muestras. Los tamices a utilizar son: 63mm, 31.5mm, 16mm, 8mm, 4mm, 2mm y fondo.

De la curva granulométrica se obtiene la caracterización del material en este caso el d50 y la desviación estándar.

4.4.8 Proceso de experimentos Las mediciones hidrométricas y observaciones de los niveles de agua, pendiente y extracción de muestras, se harán para algunas de las combinaciones de los valores de caudales, pendientes y curvas granulométricas d50: Los caudales son 80, 100, 120, 160, 200, 250 l/s, las pendientes de fondo 0.5, 0.9, 1.2, 1.5 y 2% y el material sedimentológico de la capa de fondo tendrá la distribución log-normal con diámetros d50=10.21mm, 16.63mm, 24.3 mm. A continuación se detalla las combinaciones ensayadas:

Para D50= 10.21 mm

Tabla 4.14 Caudal vs. pendiente

Q (m3/s)

S (%)

250 200 120 200 120 80 160 120 80

0.5 0.5 0.5 0.9 0.9 0.9 1.2 1.2 1.2

36

Para d50= 16.63 mm

Tabla 4.15 Caudal vs. Pendiente

Q (m3/s)

S (%)

250 250 200 200 160 120

0.5 0.9 0.9 1.2 1.2 1.2

Para d50= 24.3 mm

Tabla 4.15 Caudal vs. Pendiente

Q (m3/s)

S (%)

250 250 250 250

2.0 1.2 0.9 0.5

Una vez que se ha colocado el material granular en un espesor de 20 cm como máximo con el d50 y pendiente correspondiente al ensayo programado se procede a iniciar el ensayo. El tiempo de duración total del ensayo fue de 10 horas el mismo que permitió conseguir un equilibrio o formación de la coraza máxima, los ensayos se seccionarán en intervalos de: 20 min, 20 min, 20min, 30min, 30min, 1 hr, 2 hrs, 3hrs y finalmente 2 hrs. Los pasos a seguir durante el proceso de realización de los ensayos son:

• Llenado del canal, previo al inicio de ensayos se procederá a llenar de agua el canal, ello se hará desde aguas abajo hacia aguas arriba, utilizando una bomba de bajo caudal. Primero se llena la poza de salida, y el agua avanza linealmente hacia aguas arriba.

• Establecer el caudal Q de ensayo, para ello se cuenta con el vertedero calibrado

ubicado al inicio del modelo, desde donde se fijará con ayuda de las válvula compuerta, la altura de lámina correspondiente al caudal programado de tal manera que el caudal se mantenga constante a lo largo de todo el ensayo.

37

• En el canal de investigación establecer el tirante normal para el caudal ensayado y, para ello se hará uso de la compuerta de control ubicada aguas abajo del canal de investigación y de los limnímetros instalados sobres los puentes en cada una de las secciones.

• Una vez establecido el caudal y los tirantes se cuidará de que estos sean

uniformes para ello deberá cuidarse de mantener, durante todo el tiempo que dure el ensayo, la pendiente energética (valor), esto se logrará con la compuerta de fondo instalada al final del canal.

• Una vez establecidas las condiciones anteriores, se medirán las velocidades en

los puntos previamente definidos y utilizando la metodología antes descrita. Estas mediciones se efectuarán periódicamente, sobre todo antes de cortar el flujo de agua.

• El material sólido se incorporará al canal durante los ensayos, y se hará al inicio

del canal, en cantidades similares al transporte del material sólido que se ha registrado y una vez transcurrido un cierto tiempo de ensayo.

• La preparación del material sólido a incorporar hará teniendo en cuenta que

dicho material debe tener las mismas características granulométricas del material que constituye la capa de fondo.

• Para la extracción de las muestras, éstas se sacarán cada cierto tiempo de

iniciado el ensayo; es decir a 20 min., 40 min., 60 min. 90 min., 120 min., 180 min., 300 min., 480 y 600 min. de iniciado el ensayo. Para ello cumplido el tiempo correspondiente se cerrará la compuerta de fondo y se cortará el flujo de agua. Luego de lo cual se permitirá el desagüe descendente de la superficie de agua hasta dejar en seco el canal.

Una vez que se ha conseguido secar el canal:

• Se tomarán muestras representativas del material de fondo, las muestras serán sacadas de la capa superficial dentro de un espesor no mayor a dos veces el d50 y en cantidad suficiente para el análisis granulométrico respectivo.

• Se pintará la superficie del cauce con un aspersor en unas franjas de 0.50 m de

ancho y 1.5 m de longitud (ancho del canal), luego del cual se sacará manualmente aquellos granos pintados de la superficie para su posterior análisis granulométrico (ver foto 7.33)

• Los puntos de extracción de muestras se ubican en las inmediaciones de las

secciones seleccionadas (secciones N°1, 2 y 3) avanzando desde aguas abajo hacia aguas arriba.

• Se extraerá también el volumen de sedimentos de arrastre depositados en la

poza de salida, cada vez que se produzca el corte del flujo.

38

Fig. 4.33 Proceso de extracción de muestras

• Antes de reiniciar el ensayo se procederá a reponer el material en una cantidad igual a lo extraído. El material de reposición es de la misma granulometría a lo extraído. Se medirá la pendiente de fondo del canal sin presencia de flujo.

• Una vez extraídas y repuestas las muestras se reinician los ensayos teniendo

cuidado de realizar el llenado del canal de tal manera de no distorsionar el fondo del cauce, para ello tomar en cuenta lo detallado anteriormente.

capitulo iv: investigaciÓn experimental 4.1 …€¦ · ... de laursen (1958), colby (1964),...

Documents